春化及光周期基因的等位變異對(duì)小麥主要農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

喬朋放，畢 起，李 玹，陳 亮，3，胡銀崗，2，3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；3.中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100)

溫度和光照是小麥正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要生態(tài)條件，春化作用和光周期現(xiàn)象是小麥響應(yīng)外界環(huán)境因素，調(diào)節(jié)抽穗和開花的主要途徑，主要涉及春化基因和光周期基因的調(diào)節(jié)。目前，小麥中已克隆到4類春化基因，分別為、)〗、和，其中、和為開花促進(jìn)因子，為開花抑制因子。包括、和3個(gè)等位基因，分別分布在5A、5B和5D染色體上。一般而言，這3個(gè)基因中的任何一個(gè)為顯性時(shí)，小麥的發(fā)育特性表現(xiàn)為春性或半冬性；3個(gè)基因都為隱性時(shí)，小麥的發(fā)育特性表現(xiàn)為冬性，且對(duì)和有上位性效應(yīng)。小麥的光周期現(xiàn)象主要受基因控制，包括、和3個(gè)等位基因，分別分布在2A、2B和2D染色體上，3個(gè)基因的顯性等位變異對(duì)光周期不敏感，對(duì)光周期的不敏感程度強(qiáng)弱依次為>>，3個(gè)基因的隱性等位變異對(duì)光周期反應(yīng)敏感。

春化及光周期基因不僅影響小麥的冬春性和生育進(jìn)程，其不同等位變異對(duì)小麥的農(nóng)藝性狀也有十分重要的影響。Zhang等研究表明，可以降低株高，并通過(guò)增加可育小穗數(shù)來(lái)提高籽粒產(chǎn)量；Chumanova等研究發(fā)現(xiàn)，的等位變異對(duì)穗長(zhǎng)、單穗重量、單株產(chǎn)量都有顯著的影響。春化和光周期基因的分布及其對(duì)生育期和產(chǎn)量的影響已有較多研究，但其對(duì)株高、葉片大小等農(nóng)藝性狀的影響研究較少。

本研究以253份國(guó)內(nèi)外小麥品種(系)為材料，采用分子標(biāo)記檢測(cè)其所含有的春化及光周期基因的等位變異，分析不同等位變異及其組合對(duì)小麥抽穗期、開花期、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響，以期發(fā)掘優(yōu)異等位變異組合，為小麥育種中合理利用春化和光周期基因提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試材料共253份，包括97份國(guó)內(nèi)育成的小麥品種(陜西25份，河南22份，甘肅18份，山東13份，其余國(guó)內(nèi)品種分別來(lái)自于山西、新疆、江蘇、四川、安徽、寧夏等地)、71份本實(shí)驗(yàn)室培育的高代品系以及85份來(lái)自國(guó)際玉米小麥改良中心(CIMMYT)的小麥品種(系)。供試材料于2020年10月8日種植于西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院試驗(yàn)田，每份材料種植4行區(qū)，行長(zhǎng) 3 m，行距25 cm，株距3.33 cm，人工點(diǎn)播種植，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

1.2 春化及光周期基因的檢測(cè)

采用CTAB法提取小麥葉片基因組DNA。利用已開發(fā)的春化基因、、及光周期基因的特異標(biāo)記檢測(cè)供試材料的等位變異，引物序列(表1)參照Yan等和Beales等發(fā)表的文獻(xiàn)，PCR反應(yīng)體系及程序參照文獻(xiàn)[16]。

1.3 農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量調(diào)查

觀察并記錄每份小麥品種(系)的抽穗期和開花期。于小麥灌漿中期，每份品種(系)隨機(jī)選擇10個(gè)單株，調(diào)查小麥的株高、穗下莖長(zhǎng)、穗葉距、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬。于小麥成熟期，每份品種(系)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的2行，每行收獲1 m，調(diào)查成穗數(shù)；并隨機(jī)選取10個(gè)麥穗調(diào)查小穗數(shù)和穗粒數(shù)；曬干后，調(diào)查地上部生物量、產(chǎn)量和千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；采用多重比較和檢驗(yàn)分析不同基因等位變異對(duì)農(nóng)藝性狀的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 春化及光周期基因的等位變異檢測(cè)結(jié)果

利用VRN1AF和VRNl-INTlR引物對(duì)供試材料中的基因進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)西農(nóng)509等22份材料可同時(shí)擴(kuò)增出965和876 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有等位變異；其余231份材料可擴(kuò)增出734 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有或等位變異。進(jìn)一步利用Intr1/A1c/F2和Intr1/A1c/R3、Intr1/C/F和Intr1/AB/R兩對(duì)引物分別進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果可擴(kuò)增出1 068 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有隱性等位變異。未檢測(cè)出含有和等位變異的材料。部分材料的擴(kuò)增結(jié)果如圖1所示。

表1 本研究所用的引物及相關(guān)信息Table 1 Primer used in this study and related information

利用共用上游引物lntrl/B/F與下游引物Intr1/B/R3和Intr1/B/R4對(duì)供試材料中的基因進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)天民118等28份材料可擴(kuò)增出709 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有等位變異；其余225份材料可擴(kuò)增出1 149 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有等位變異。利用共用上游引物lntrl/D/F與下游引物Intr1/D/R3和Intr1/D/R4對(duì)供試材料中的基因進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)小偃6號(hào)等44份材料可擴(kuò)增出1 671 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有等位變異；其余209份材料可擴(kuò)增出997 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有等位變異。部分材料的擴(kuò)增結(jié)果如圖2所示。

A：用VRN1AF和VRNl-INTlR引物的擴(kuò)增結(jié)果；B： 用Intr1/C/F和Intr1/AB/R引物的擴(kuò)增結(jié)果。M：DL2000；1：西農(nóng)509；2：長(zhǎng)6878；3：山農(nóng)20；4：Magnif41ert1；5：GW53；6：PX32；7：PX34；8：百農(nóng)207；9：PX54；10：新麥26。圖3同。

利用共用上游引物TaPpd-D1-F1與下游引物Tappd-D1-R1和TaPpd-D1-R2對(duì)供試材料中的基因進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)西農(nóng)509等220份材料可擴(kuò)增出288 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有光周期不敏感型等位變異；其余33份材料可擴(kuò)增出414 bp的目的條帶，說(shuō)明這些材料含有光周期敏感性等位變異。部分材料的擴(kuò)增結(jié)果如圖3所示。

供試材料中共檢測(cè)到13種春化及光周期基因的等位變異組合，其中含有+++組合的材料最多，占供試材料的59.68%(表2)。

A： Vrn-B1位點(diǎn)的擴(kuò)增結(jié)果；B： Vrn-D1位點(diǎn)的擴(kuò)增結(jié)果。M：DL2000；1：西農(nóng)389；2：長(zhǎng)6878；3：天民118；4：新麥26；5：銅麥6號(hào)；6：新麥32；7：小偃6號(hào)；8：山農(nóng)20；9：普冰151；10：濟(jì)寧13。

圖3 部分供試材料 Ppd-D1位點(diǎn)的多重PCR結(jié)果

2.2 春化及光周期基因的等位變異組合對(duì)抽穗和開花期的影響

從表3可以看出，在背景下，含有單個(gè)或多個(gè)顯性等位變異的材料從播種至抽穗、播種至開花所需的天數(shù)均少于含有隱性等位變異的材料。含有多個(gè)等位變異組合的材料中，含有++的材料從播種至抽穗、播種至開花所需的天數(shù)均少于其他等位變異組合，但該組合僅有1份材料，結(jié)果的可靠性有待進(jìn)一步研究。

在背景下，含有單個(gè)或多個(gè)顯性等位變異的材料從播種至開花所需的天數(shù)大于含有隱性等位變異的材料。++對(duì)抽穗期的影響大于單個(gè)等位變異，但該組合僅有2份材料，結(jié)果的可靠性也有待進(jìn)一步研究。

含有+的材料從播種至抽穗所需的天數(shù)極顯著少于含有+的材料。含有的材料從播種至開花所需的天數(shù)均極顯著少于含有的材料(含有+的材料未做分析)。

2.3 春化基因 Vrn-1等位變異對(duì)農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表4可以看出，含有材料的旗葉寬和倒二葉寬均顯著小于含有的材料，含有或材料的倒二葉長(zhǎng)顯著大于含有或的材料，說(shuō)明含有的材料的葉片形態(tài)為長(zhǎng)而窄。含有不同等位變異材料的株高、旗葉長(zhǎng)和穗葉距均無(wú)顯著差異。表明基因的等位變異影響葉片的形態(tài)。由于含有多個(gè)顯性等位變異的材料數(shù)較少，未對(duì)其進(jìn)行分析。

表2 春化及光周期基因的等位變異及其頻率Table 2 Frequencies of allelic variations of vernalization and photoperiod genes

表3 Vrn-1等位變異組合對(duì)生育期的影響Table 3 Effect of allelic variations at Vrn-1 locuson growth period

從表5可以看出，含有或材料的成穗數(shù)顯著多于含有或的材料，但其千粒重卻顯著小于含有的材料。含有材料的穗粒數(shù)、生物量和產(chǎn)量大于的材料(除外)，但差異不顯著。

2.4 光周期基因 Ppd-D1等位變異對(duì)農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表4可以看出，含有材料的株高、穗下莖長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、倒二葉長(zhǎng)均顯著小于含有的材料，但其倒二葉寬顯著大于含有的材料，表明基因在降低株高和調(diào)控葉片形態(tài)上發(fā)揮著重要作用。從表5可以看出，含有材料的成穗數(shù)顯著小于含有的材料，但其千粒重顯著大于含有的材料，其穗粒數(shù)、生物量和產(chǎn)量均大于含有的材料，但差異不顯著。

表4 Vrn-1和 Ppd-D1基因的等位變異對(duì)小麥農(nóng)藝性狀的影響Table 4 Effect of allelic variations at Vrn-1and Ppd-D1loci on agronomic characters of wheat

表5 Vrn-1和 Ppd-D1基因的等位變異對(duì)產(chǎn)量及其相關(guān)性狀的影響Table 5 Effect of allelic variations at Vrn-1 and Ppd-D1 loci on yield and yield-related traits

3 討 論

小麥對(duì)春化作用的需求是由春化基因控制的。研究表明，春化基因的等位變異對(duì)抽穗期和開花期均沒(méi)有顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)，攜帶不同顯性等位變異的材料間從播種至抽穗、播種至開花所需的天數(shù)之間差異不明顯。其原因可能是試驗(yàn)地的環(huán)境條件滿足了攜帶基因顯性等位變異材料的春化需求。田慧芳等研究發(fā)現(xiàn)，、、與穗數(shù)和穗粒數(shù)的相關(guān)性不顯著，而與每穗小穗數(shù)和產(chǎn)量呈負(fù)顯著相關(guān)。付 亮等研究表明，與成穗數(shù)和穗粒數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，而與千粒重呈正相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平，攜帶材料的產(chǎn)量更高。本研究中攜帶或等位變異材料的成穗數(shù)顯著多于攜帶或的材料，但的等位變異對(duì)產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響。本研究結(jié)果與前人存在較大差異，原因可能是試驗(yàn)材料來(lái)源及數(shù)目差異較大。

春化作用完成后，影響小麥開花時(shí)間的主要因素是小麥材料對(duì)光周期反應(yīng)的敏感程度。在生產(chǎn)中，光周期基因的等位變異可加快冬小麥的生育進(jìn)程，使其更早開花結(jié)實(shí)，避開后期的不利環(huán)境。楊芳萍等對(duì)不同國(guó)家的小麥材料研究發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)小麥品種中的分布頻率為100%。本研究發(fā)現(xiàn)，在供試材料中的分布頻率為87.0%，說(shuō)明育種家的定向選擇使得在冬麥區(qū)占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。Shcherban等對(duì)歐洲小麥光周期基因的等位變異組成進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)主要分布在歐洲南部，主要分布在歐洲北部的春麥區(qū)。劉東軍等研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江春小麥中和的分布頻率分別為39.52%和 60.48%。一般而言，主要分布在緯度較高的春麥區(qū)，因?yàn)檫@些地區(qū)夏季溫度不高，不會(huì)對(duì)小麥的后期生長(zhǎng)造成高溫脅迫。除了對(duì)生育期有影響外，還可降低株高，提高可育小穗數(shù)和產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，與相比，顯著降低了成穗數(shù)，但也顯著地增加了千粒重，最終兩者之間的產(chǎn)量無(wú)顯著差異。本研究還發(fā)現(xiàn)，與含有的材料相比，含有材料的旗葉和倒二葉均表現(xiàn)為短而寬的形態(tài)。成熟葉片是植物感受光周期的主要部位，葉片大小與光周期反應(yīng)之間是否存在一定的關(guān)系，還需要進(jìn)一步探究。

根據(jù)氣候變化在不同種植區(qū)域選擇不同的春化及光周期基因的等位變異組成材料，是應(yīng)對(duì)當(dāng)前氣候多變的重要措施之一。KISS等研究表明，春化作用完成后，攜帶+組合材料的抽穗、開花時(shí)間顯著晚于+組合的材料。簡(jiǎn)俊濤等研究發(fā)現(xiàn)，不管基因的等位變異組合如何，含有等位變異的材料均具有極不穩(wěn)定的物候期，而含有+的材料物候期較為穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)，攜帶的材料從播種至開花所需的天數(shù)少于攜帶的材料，表明在冬麥區(qū)秋播條件下，基因的等位變異對(duì)開花期的影響要大于基因的等位變異。本研究也發(fā)現(xiàn)，攜帶+的材料在生育期穩(wěn)定性、株高、產(chǎn)量等多個(gè)性狀上表現(xiàn)優(yōu)異，在秋播條件下更適宜在黃淮麥區(qū)西部種植，可在育種中優(yōu)先選擇。